Vad är 3D rendering?

Om du inte är van att använda 3D, så undrar du kanske vad exakt det är. Till intresserade personer som inte känner till 3D processen kan begreppet till en början verka lika kryptiskt och oförståeligt som runskrift.

Även om avancerad matematik och vetenskap inte är syftet med den här artikeln, kan vi inte undgå att den processen spelar en viktig roll i data grafikens utveckling. Vi kommer inte gå in alltför djupt på det området, men vi måste åtminstone förklara några grundläggande verktyg och metoder som krävs för att skapa 3D bilder.

Som till exempel att framkalla bilder:

Rendering är den tekniskt sett mest avancerade delen av 3D produktionen, men kortfattat kan den jämföras med gammaldags fotografier. På samma sätt som fotografer måste utveckla och framkalla sina bilder innan de kan visas, så måste även 3D-artister utföra en liknande process.

När en konstnär arbetar på en 3D scen är modellerna som han tagit fram faktiskt en matematisk återgivning av punkter och ytor (eller mer specifikt, hörn och polygoner) i det tredimensionella rummet.

Termen ”rendering” syftar egentligen på de uträkningar som görs i ett 3D program för att överföra en matematisk uträkning till en 2D bild. Under processen sätter man samman informationen om det rumsliga, det strukturella och belysningen för att bestämma färgvärdet för varje pixel i 2D bild.

Två typer av rendering:

Det finns två större typer av rendering och deras största skillnad är med vilken hastighet bilderna beräknas och färdigställs.

Real-Time Rendering: Real-Time Rendering används framförallt i spel och interaktiv grafik, där bilderna ska beräknas från 3D-information på ett så snabbt sätt som möjligt.

Interaktivitet: Eftersom det är omöjligt att förutsäga exakt hur en spelare kommer att interagera i spelets miljö, måste bilderna återges i “realtid” när en åtgärd utförs.

Fråga om hastighet: För att rörelserna ska verka jämna, måste bildskärmen återge minst 18 – 20 bildrutor (frames) per sekund. Om skärmen återger färre bildrutor än så uppfattas grafiken som hackig.

Metoderna: Rendering i realtid förbättras avsevärt tack vare så kallad GPU; en grafikhårdvara som är avsedd för just detta ändamål och som i förväg kan sammanställa så mycket information som möjlig. En stor del av informationen av en spelmiljös belysning beräknas på förhand och “bakas” direkt in i miljöns struktur för att förbättra hastigheten.

Offline eller Pre Rendering: Offline-rendering används i situationer där hastigheten inte spelar en så stor roll, och där beräkningarna ofta utförs med hjälp av multi-core processorer istället för GPU-hårdvara.

Förutsägbarhet: Offline rendering ses oftast i animationer där man vill uppnå en högre standard gällande det visuella och där man eftersträvar fotorealism. Till skillnad från ett onlinespel, kan man bestämma exakt vad som kommer att visas i varje bildruta, och därför kan stora studios ägna upp till 90 timmar för att arbeta med enskilda bildrutor för att uppnå bästa möjliga resultat.

Fotorealism: Eftersom offline rendering har en öppen tidsram, kan man därmed uppnå högre nivåer av fotorealism än med realtidsrendering. Tecken, lampor, miljöer och deras strukturer kan återges i högre polygonvärden, och filernas strukturer kan han en upplösning på med 4k, eller till och med högre.

Renderingstekniker

Det finns tre stora beräkningstekniker som används för rendering. Var och en har sina för- och nackdelar, vilket gör att alla tre alternativ är nödvändiga beroende på sammanhanget.

Scanline (eller rastrering): scanline rendering används när hastigheten är högsta prioriteten, det vill säga för realtidsrendering och interaktiv grafik. I stället för att skapa en bild en pixel i taget, beräknar scanline renderingen utifrån polygoner. Scanline-tekniker som till exempel kan beräkna belysningen på förhand kan uppnå hastigheter på 60bildrutor per sekund, eller bättre, på ett avancerat grafikkort.

Strålföljning (raytracing): I strålföljning följs en eller flera ljusstrålar per pixel från en kamera till det närmaste 3D-objektet. Ljusstrålen passerar därefter ett antal “studsar” som kan inkludera reflektion eller refraktion beroende på materialet i 3D-scenen. Färgen på varje pixel beräknas med hjälp av algoritmer som baseras på samspelet mellan ljusstrålen och objekten som strålen passerar. I strålföljning kan man uppnå högre nivåer av fotorealism än med scanline, men strålföljningen är också långsammare.

Radiosity: Till skillnad från strålföljning, beräknas inte radiocity utgående från kameran, utan bestäms snarare av objektets yta än pixel för pixel. Den primära funktionen av radiosity är att på ett mer exakt sätt simulera ytans färg genom att ta indirekt belysning (alltså ett diffust ljus som ”studsar”) i beaktande. Radiosity kännetecknas vanligtvis av mjuka skuggor och färgblödningar, där ljus från färgstarka objekt ”blöder” på närliggande ytor.

I praktiken används radiosity och raytracing ofta som komplement till varandra genom att använda fördelarna med varje system för att uppnå höga nivåer av fotorealism.

Renderingsprogram

Även om rendering förlitar sig på otroligt avancerade beräkningar förser dagens programvaror 3D-konstnärerna med lättförståeliga parametrar så att de aldrig behöver sätta sig in i den bakomliggande matematiken. Varje större 3D-programpaket kommer med en renderingsmotor, och de flesta av dem omfattar material och belysningspaket som gör det möjligt att uppnå fantastiska nivåer av fotorealism.

De två vanligaste renderingmotorerna

Mental Ray – Medföljer programmet Autodesk Maya. Mental Ray är otroligt mångsidigt, relativt snabbt, och förmodligen den mest kompetenta renderaren för teckenbilder där man behöver s.k. subsurface scattering (SSS). Mental ray använder en kombination av raytracing och “global belysning” (radiosity).

V-Ray används vanligtvis tillsammans med 3DS Max. Kombinationen gör det helt oöverträffligt när det kommer till arkitektonisk visualisering och rendering av miljö. De största fördelarna med Vray är ljusverktygen och ett omfattande materialarkiv för Arch-Viz.

Detta var bara en kort översikt över grunderna i hur man skapar en bild. Det handlar om teknik som kan vara ganska intressant om man vill ta en djupare titt på några av de vanligaste teknikerna. Om du är intresserad av att veta mer, finns det en hel del bra läsning på nätet och vi kommer att publicera mer material allt eftersom. Prenumerera gärna på vårt nyhetsbrev för att hålla dig uppdaterad!

Läs mer om våra 3d tjänster.